量子点液晶显示背光技术分析

万坤+吕钱+齐立超

【摘 要】量子点，又称为纳米晶，是由有限数目的原子组成，3个维度上的尺寸均在纳米数量级。日新月异的显示技术，经历了数代变迁，但每一代新技术的出现都从未离开过新材料的发展。量子点背光技术因为在色彩表现力方面的卓越表现，受到越来越多研究人员的关注和青睐。下文先简单介绍了量子点材料，接着探究了量子点液晶显示背光技术。

【关键词】量子点；液晶显示；背光技术

一、 导言

21世纪是一个信息与显示的时代，显示技术无处不在，从日常使用的智能手机、平板电脑等小型显示设备，到家庭电视、广告显示屏等大型显示设备，都与显示技术息息相关。作为一种新颖的半导体纳米材料，量子点具有许多独特的光学性质，诸如发光效率高、发射光谱窄、发射光谱可调等，这些性质都是量子点得以在显示器件中应用的重要前提。文章就想内容作出简析。

二、 量子点材料简析

量子点（QD）是一种新型的纳米荧光材料，它是由II-VII族或III-V族元素组成的。量子点的晶粒直径只有约2～10 nm，仅相当于10～50个原子的宽度。其电子和空穴位都被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激发后可以发射荧光。量子点最大的特点是能级间隙随着晶粒大小而改变，晶粒越大，则能级间隙越小，晶粒越小，能级间隙越大。而量子点越小，发光颜色越偏蓝，反之，量子点越大，发光颜色越偏红。

在无辐射薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器（TFT-LCD）应用方面，最具代表性的技术是3M公司提出的将量子点材料成膜后搭配蓝色LED光源的背光模块结构，并开始应用到液晶显示器当中。按照Adobe RGB的标准，一般的液晶显示器（LCD）只能提供70%的色域，而加入量子点膜的LCD则可以提供100%的色域。但是目前量子点薄膜技术主要存在材料利用率不高，成本高昂，光学效率不高的缺点。根据3M QDEF技术的结构，量子点膜被上下两层阻挡膜阻隔保护，除了LED侧引入的激发光源之外，在QD层中又发生了量子轉化而诱发其他波长的光线，而膜材料密度成份变化以及其界面层微结构（粗糙度，界面折射率变化）引起的传输转换都会造成光的损耗。这使得从导光板（LGP）出射的光无法全部透过量子点膜，造成光的浪费。

三 、量子点液晶显示背光技术

（一）量子点背光技术的封装结构

根据量子点材料封装方式的不同可以分为3种类型：第一种封装方法On-surface是将量子点嵌入两层氧气阻隔薄膜中，再将量子点薄膜放臵于LED背光和液晶盒之间。这种方法消耗的量子点材料较多，但技术成熟，近年来三星、LG、TCL等各大厂商均采用该法。以3M和Nanosys的QDEF技术为例，其液晶面板最外层覆盖着一层透明、柔性的超薄屏障层膜，厚度仅有55μm，可以有效防止水、氧气对内部量子点膜的侵蚀，水氧穿透率小于1*10-3g/m2/day，其轻薄度、柔韧性、抗撞击性均优于玻璃材质。通过独特的夹层结构设计，有效减小了热量和光通量对量子点的损耗，目前QDEF的寿命为2～3万小时，3M预计未来能达到7万小时；第二种封装方法On-edge是将量子点放在密封玻璃管内，臵于屏幕边缘的LED条上方，由于侧光式LED背光相较整个显示屏面积小得多，该方法消耗的量子点较少，约为On-surface用量的百分之一，但对量子点的稳定性要求较高。目前主要是QD Vision的Color IQ技术采用这种封装方法；第三种封装方法On-chip是将量子点直接封装到LED管内，可以最大化量子点效率，量子点材料消耗仅约为On-surface的万分之一，但是由于这种方法要求量子点材料在高温环境保持稳定，且封装技术要求高，目前行业内暂时没有公司采用这种封装方法。最新的技术方向是在量子点与蓝光源之间留出部分空间，以降低量子点工作温度。

（二）量子点背光技术中的无机复合材料与工艺

量子点发光材料的稳定性是目前应用中的技术关键。除了从结构层面上（核壳结构与合金化结构等）提高材料的稳定性之外，量子点发光材料的稳定性还可以通过与其它基质材料复合的方式来优化和改善，量子点发光材料与基质材料复合在一起可以形成新的稳定结构。常用的基质材料分为有机和无机两大类，有机材料以硅胶树脂、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）等透明聚合物为主，无机材料以各种氧化物和无机盐为主，最近的一些研究表明，采用无机材料作为量子点的复合基质得到的复合材料具有更好的稳定性表现，对于“芯片封装型”以及“侧管封装型”的背光结构来说，量子点发光材料的稳定性是限制其应用的关键，因此，关于量子点与无机基质材料复合的研究报道层出不穷，研究人员都希望发展新的复合技术来获得可以稳定使用的复合发光材料。

（三）背光结构的光学仿真模拟简析

按照新型量子点背光封装方式，使用光学模拟软件LightTools进行仿真模拟，以10.1″液晶显示器背光模组为例来验证结果。LightTools光学设计软件是一款高精度的三维光学建模工具。该软件自带光学膜片元件库和光源库，其膜片库自带3M公司的所有增亮膜（BEF）和反射式偏光增亮膜（DBEF），其光源库涵盖了4大LED公司的近400种LED光源，可以直接调用来进行液晶显示的背光设计。它利用蒙特卡罗光线追迹的技术做光学与机械结构间的仿真。当光源发射出的光束穿越整个光学系统，光束可以自动地分裂为反射、折射、偏振光及散射的分量。通过对这些光线的统计平均，就可以得到整个光学系统的光学性能评价。

四 、总结

综上所述，液晶显示作为现今社会各领域主流的显示技术越来越受到人们的青睐，随着生活水平的提高，人们对液晶显示器的显示品质要求越来越高。量子点材料兼具极高的色纯度、发光颜色可调以及的荧光量子产率高等特点，已成为显示领域中的明星材料，在提升显示器件的色域方面具有巨大潜力。上文简析了量子点液晶显示背光技术。

参考文献：

[1]程成，程潇羽.光纤放大原理及器件优化设计[M].北京：科学出版社，2011.

[2]周忠伟，孟长军，王磊，等.液晶显示器广色域技术的研究[J].发光学报，2015.endprint